在用燃气锅炉低氮改造技术及应用

刘志军上海宾乐热能科技有限公司

在用燃气锅炉低氮改造技术及应用

刘志军
上海宾乐热能科技有限公司

氮氧化物是燃气锅炉排放的主要污染物之一，也是环境空气质量治理的主要对象。简要分析了氮氧化物的产生机理和低氮燃烧技术，重点介绍了低氮燃烧器在燃气锅炉改造工程实践中的选择与应用。

氮氧化物；低氮燃烧技术改造；燃气锅炉；燃烧器

全国人大于2016年12月25日审议通过了《中华人民共和国环境保护税法》，并于2018年1月日实施。相关部门根据我国实际情况，制定了十三五节能减排目标，出台了一系列支持节能减排的政策和措施。全国各地纷纷对大气污染物的排放标准进行修订，特别是大幅提高了锅炉氮氧化物（NOx）的排放限制，其严厉程度达到甚至超过了发达国家锅炉烟气排放标准。

自2015年以来，北京等重度污染城市和地区，加速实施在用锅炉低氮改造工程。更换低NOx燃烧器是最直接有效的方案。采用烟气再循环燃烧方式和全预混表面燃烧等措施也是降低锅炉烟气NOx排放的有效方法。本文分析了锅炉污染物排放中NOx的形成机理及减排技术措施，通过实际案例阐明大量在用锅炉进行低氮改造的有效途径。

1 氮氧化物的产生

NOx是燃气锅炉烟气排放中的主要有害物质，是形成酸雨等污染环境的关键因素之一。在锅炉燃烧过程中，NOx生成的主要来源有三个方面。

1）热力型NOx，是空气中的氮在高温(1 300～1500℃）下分解氧化产生的，影响因素如下：

a）火焰温度：随燃烧温度升高，产生的氮氧化物迅速增加，温度在1 500℃以上时，氮氧化物的生成将成倍增加；

b）氧气浓度：燃烧过程中，可燃混合气体中氧气的浓度越高，NOx的生成量就越大；

c）燃烧停留时间：停留时间越长，NOx的生成量就越大。

2）快速型NOx，是由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N,再进一步氧化，以极快的速度生成NOx，所以称为快速型NOx。与热力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量占比不足5%，在温度低于1 300℃时，几乎没有快速型NOx，因此快速型NOx不是我们关注的重点。

3）燃料型NOx：是燃料中含氮化合物在燃烧过程中氧化生成的，称为燃料型NOx。燃料中氮化合物的氮以原子状态存在，其结合键的能量较小，因此这些氮在燃烧过程中就容易分解出来生成NOx。

天燃气中基本不含固定氮，燃气锅炉实施低氮改造中的绝大部分都是以天然气为燃料，所以燃料型NOx也可忽略不计。图1为锅炉燃烧产生的NOx及其组分示意图。

图1 锅炉燃烧NOx来源及组分

综上所述，我们在进行锅炉低氮改造过程中，主要是控制热力型NOx的产生，以达到降低烟气中NOx排放的目的。

2 低氮燃烧技术

热力型NOx是锅炉氮氧化物排放的主要来源，高温燃烧火焰是产生NOx的关键因素,要减少热力型NOx的生成,燃烧设备应采取两方面技术方法：第一，降低火焰的最高温度，减小火焰高温区域的范围；第二，充分利用燃烧室空间，均匀分布火焰形态。为此，燃烧设备的结构设计和控制技术可采取下述具体措施：

2.1 空气分级燃烧

燃料和空气在理论当量比条件下的预混燃烧，速度快，温度高。将燃料燃烧所需的空气分阶段与燃料混合燃烧，降低燃烧强度和火焰温度，而且在还原性气氛中更有利于降低NOx的产生。过量空气系数约为0.8 的一次空气，对NOx的产生有明显的抑制作用，剩余的二次空气与“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合，实现燃料的完全燃烧。

空气分级燃烧，既可抑制NOx的产生，同时可使燃料在总的过量空气系数较低的情况下完全燃烧，避免过量空气系数偏高增加排烟热损失。但另一方面，由于燃料与空气的混合及流动方式不佳，造成局部积炭等不完全燃烧的现象，需合理的产品结构设计。

2.2 燃料分级燃烧

将燃气从不同的区域喷入燃烧室，使全部燃料分阶段分区域进行燃烧。一级燃烧一般是α＞1的富氧燃烧，会产生一定的NO。二级燃烧区在α＜1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NO在二级燃烧区(再燃区)内被还原成N2,降低NOx的排放浓度。

燃料分级燃烧的另一好处是，在有效控制火焰形态的情况下，根据燃烧室的形状，将燃料分散布置，充分利用燃烧室的空间，降低火焰的集中度，进一步减少NOx的生成。图2为一种燃料分级燃烧效果图。

图2 多喷嘴燃料分级燃烧效果图

2.3 烟气再循环

主要指将占理论空气量约15%～25%的排放烟气循环回到助燃空气中，使得助燃空气中的氧气浓度低于21%，且含有一定量CO2。这样会降低燃气的燃烧反应速率，从而使燃气的燃烧时间延长，减少了单位空间和时间内释放的热量。同时烟气再循环将使燃烧室中的烟气量有所增加，火焰的平均温度也有所降低。这些都有利于抑制热力型NOx的生成。图3为锅炉燃烧器烟气再循环原理示意图。

图3 燃烧烟气再循环示意图

2.4 全预混表面燃烧

对于小型燃气锅炉，全预混表面燃烧是控制NOx排放的最有效办法。一是由于表面燃烧的火焰沿着金属纤维的表面均匀分布，温度场分布均匀，如果表面积较大，则单位面积热负荷较小。二是金属纤维表面燃烧的α一般约为1.5，较大的过量空气使得火焰温度低。这种燃烧方式的NOx排放完全可以控制在30 mg/m3以下甚至更低。但它的缺点也非常明显，排烟热损失大，特殊的金属纤维燃烧头易堵塞，清理维护的工作量较大。图4为全预混表面燃烧效果示意图。

图4 全预混表面燃烧效果图

工程实践中，各种技术措施都有其适用条件和不同的效果。对具体项目，需根据锅炉具体技术参数、结构形式及燃气种类，综合使用上述技术措施，才能达到预期的效果。

1）对于细长型炉膛，燃烧器喉口较小，燃料分级的空间不大，宜采用空气分级和烟气内循环；

2）对于炉膛直径和燃烧器喉口较大的情况，便于采取燃料分级和空气分级；

3）烟气循环对降低NOx具有普遍性适用性，用于大中型锅炉的效果更佳，被广泛认可和采用；

4）金属纤维表面燃烧技术，对控制NOx的效果很好，但不宜用于10 t/h以上锅炉。

3 低氮改造技术应用

2015年之前，我国对大气污染物尤其是氮氧化物的排放标准要求不高，目前在用的燃油、燃气锅炉，氮氧化物排放大多在150～200 mg/m3之间，不符合新的环保排放标准要求，大量在用的燃油燃气锅炉急需进行低氮改造。改造主要是针对燃烧器及相关辅助设备，解决方案主要有二种：整体更换新型低氮燃烧器；对现有燃烧器进行改造。

由于各地经济发展和环保现状的差异，投入改造资金的能力不同，应因地制宜，采取既能满足标准要求又具有现实可行性的方案，取得满意的社会效益。

以下为两个采用利雅路低氮燃烧器的改造案例。

3.1 上海血液中心两台WNS3.91-1-Y蒸汽锅炉低氮改造。

锅炉蒸发量4 t/h，炉膛直径864 mm，长度3 774 mm，改造前使用强生三段火燃油燃烧器，炉膛容积热负荷1.266 MW/m3，氮化物排放200 mg/m3，锅炉本体完好。根据相关参数，锅炉本体无需改造，燃烧器整体更换为新型低氮燃烧器，即可满足氮氧化物不超过80 mg/m3的排放要求。该项目最终选用了利雅路RLS400型低氮油气两用燃烧器，日常以燃气为主。图5为燃烧器更换后的现场图。改造后的燃气运行状况如下：

1）NOx排放。采用新型低氮燃烧头，通过燃气和空气的分级燃烧技术，顺利实现了低氮燃烧，实测锅炉基准氧含量时的NOx排放为70 mg/m3。

2）能效和安全性。燃烧器负荷调节由三段火调整为连续比例调节方式，调节比高达1：5，锅炉运行平稳，避免了频繁启停，使锅炉的能效和安全性更高，并降低了运行成本。

图5 更换后的利雅路RLS400低氮燃烧器

3.2 欧诺法装饰材料（上海）有限公司YY(Q) W-7000Y/Q导热油炉低氮改造。

该公司使用一台额定功率7 000 kW的导热油炉，炉膛尺寸直径2 592 mm，长度9 590 mm,燃烧器为利雅路RS 1200/M燃气燃烧器，已运行五年，NOx排放约180 mg/m3，锅炉及燃烧器状态良好，要求将NOx控制在80 mg/m3范围内。通过对锅炉及燃烧器状态的分析判断，节约改造成本，在原有燃烧器上加装烟气外循环装置，循环烟气流量约占助燃空气的15%～20%，随燃气量可调。图6为改造后的RS1200/M燃气燃烧器及烟气循环装置。

该项目改造后，锅炉额定负荷下的NOx排放量降至60 mg/m3，改造工程量和成本均较低，只需设置一套烟气循环管路和调节装置，增加对烟气流量调节控制功能。

图6 改造后的RS 1200/M燃气燃烧器及烟气循环装置

4 结语

随着我国环保治理的力度不断深入，各地区有大量的在用工业锅炉、加热炉、窑炉等热工设备陆续要进行低氮改造。实践证明，现在低氮燃烧技术的基本原理是明确而有效的，但要达到预期效果就必须满足相应的技术条件，否则不可能达到目的。燃烧器是锅炉重要组成部分，其可靠性、经济性是必须考虑的重要因素，要因地制宜，从技术和成本两方面综合考虑改造方案。本文阐述的低氮燃烧技术原理及应用方法，为在用燃油燃气锅炉燃烧设备的低氮改造提供了一些可行的经验和案例，具有一定的启发和借鉴作用。

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Low N trogen Renovation Technology and App lication at Existing Gas-Fired Boiler

Liu Zhijun Shanghai Binle Thermal Scientific Technology Limited Company

Nitrogen oxide is m ain po llutant from gas-fired boiler em ission, which is key to air pollution and need to be treated. The au tho r ana lyzes p roduc tion m echanism of nitrogen oxide and low nitrogen combustion technology. The article focuses on selection and app lication of low nitrogen combustion reactor for gas-fired boiler renovation practice.

Nitrogen Oxide, Low Nitrogen Com bustion Technology Renovation, Gas-Fired Boiler, Combustion Reactor

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.011